專利名稱：三端壓電陶瓷自激振動粘度傳感器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于理化參數測試技術領域。
粘度是液體(氣體)在流動時分子內摩擦力的量度。當兩個平行板間充滿液體時，其中一板靜止，另一板以均速運動。由于液體的粘性作用，垂直于此板不同位置的液體運動狀態不同。對于牛頓液體，在一定條件下鄰近靜止板的液體處于靜止狀態，在動板附近的液體與動板運動速度相同，中間的液體則以層流狀態流動，各個層流的速度不同。液體的牛頓流動定律表明，在層流狀態下，液體所受到的剪切應力(τ)與剪切速率(D)成正比。
τ＝ηD式中τ為粘度系數，是液體內摩擦力的特性函數，又稱為液體粘度。
測量液體粘度的方法很多測量單位時間內流過液過液體的體積，或者說，流過定量體積的液體所需要的時間，這種粘度計以毛細管粘度計、流孔式粘度計為代表，用這種方法可以測量液體的運動粘度；測量特定物體在液體中下落的時間，這是利用重力作用進行測量的，落塞式、落球式、滾球式粘度計均屬于這種類型的粘度計；測量相對轉動的物體在液體中運動時的相對偏轉角度或相對作用力，轉筒式粘度計、錐板式粘度計均屬于這種類型粘度計；測量振動物體在液體中的衰減狀態，稱為振動粘度計，其中有振球式、振片式、振桿式粘度計。以上幾種都是比較典型的、古典式的粘度計。有些粘度計配用了計算機后又有了新的發展。
用壓電晶體作為驅動元件制作的粘度計是一種新型的粘度計。美國專利(4，799，378)介紹了“壓電粘度計”。其結構是把壓電驅動元件固定在一個基座上，驅動元件的一端通過一個電絕緣體，與壓電接收元件固接，壓電驅動元件備有輸入信號引線，構成了壓電驅動器與接收器，兩者水平放置。在壓電接收元件的自由端的垂直方向固定一個連接桿，下端與一球體探測器相固接，為粘度探頭。當在驅動器的輸入引線加以交流電壓時，其頻率與振動體的固有頻率相同，此時產生振動。帶動接收壓電元件和探頭振動，接收器的引線則有電壓輸出，其頻率與驅動信號相同，為140Hz。當探頭在液體中運動時，由于液體的阻尼作用使振動狀態改變，不同的液體振動狀態不同，因而得到不同的交流輸出信號。這種輸出信號就是液體內摩擦力的表征。輸出信號用計算機處理。
該儀器有以下幾個缺點和不足聯桿固定在接收壓電元件的自由端，在上下運動時不作直線運動，有一偏轉角，可引入測量誤差；探頭為球狀，球體在液體中運動時，不僅受到粘性阻力的作用，還受到由于重力影響的壓力作用，液體密度不同時，其重壓力也不同；壓電驅動器與接收器網絡是他激四端網絡，當由于溫度、濕度等外界因素改變時，振體的固有頻率改變，因而接收器的輸出特性也受到影響；樣品池為普通圓形，不能固定液面，引入測量誤差；用系統機處理信息與數據，造價高。
本實用新型為克服上述四端他激式壓電晶體粘度計的缺點和不足，設計出一種三端壓電陶瓷自激振動粘度傳感器。
本實用新型采用了如下技術用三端壓電陶瓷自激振蕩原理，輸出信號與輸入信號是相互聯系的，其激振頻率與振動體固有頻率相同，不會由于溫度、濕度變化使頻率偏離固有振動頻率，結構簡單，體積小，有溫度自動補償系統；聯接桿是振動體的一部分，在振動時沒有偏角作用，僅作微小扇形運動，但由于振幅很小，可以認為作水平運動，減少了測量誤差；探頭采用菱形金屬薄片，面積大，截面小，在運動時受到重壓力的影響小，減小了測量誤差；樣品池采用了溢流式，液面高度固定，沒有人為對線誤差；用單片機處理信息與數據，造價低。
圖一給出了具體結構與工作原理。
三端壓電陶瓷自激振動粘度傳感器，由矩形體金屬彈性振子片(7)、此塊壓電陶瓷片(8)、支撐桿(9)、聯結桿(10)、片狀探頭(11)組成。此塊壓電陶瓷片(8)的內電極用導電膠分別中心對稱地粘接在彈性振子片(7)的兩面，彈性振子片(7)的下端固定一個聯接桿(10)的上端，聯接桿(10)的下端固接片狀電極(11)，此片壓電陶瓷片(8)的外電極分別為輸入電壓信號端(12)和輸出電壓信號端(13)，輸入端(12)的電壓信號和輸出端(13)的電壓信號相同，構成正反饋振蕩，在輸入電壓和輸出電壓的共同作用下，壓電陶瓷片(8)產生機械形變，由彈性振子片(7)、壓電陶瓷片(8)、聯接桿(10)、片狀探頭(11)組成的振子系統有三個機械振動節點A、B和C，在節點A處和B處，支撐桿(9)將振子系統固定支撐，被測液樣(14)的表面位于節點C處。
粘度傳感器探頭為菱形、圓形和橢圓形的金屬薄片。
三端壓電陶瓷自激振動粘度傳感器的外部電路工作原理如下電壓輸出端(13)經前置放大器(16)和振蕩輸出放大器(17)再到電壓輸入端(12)，構成正反饋自激振蕩電路；前置放器(16)的輸出端聯接交／直流轉換器(AC／DC)(17)的輸入端；被測液樣(14)中插入溫度探測器(19)，探測器(19)的溫度數值經溫度／電壓轉換器(T／V)(20)輸入到直流放大器(21)的輸入端；AC／DC轉換器(17)和直流放大器(21)的輸出信號通過A／D轉換器(24)送至微機CPU(22)，CPU(22)的外圍設備(23)進行被測液樣(14)的設定溫度下的測量數據進行存儲，打印或屏幕顯示。
測量液體粘度時的具體操作可如下進行把液樣(14)倒入樣品池(15)中直到溢流口位置，樣品池(15)置入恒溫液(5)中，預熱恒溫到液樣(14)溫度平衡，使傳感器(19)探頭浸沒于液樣(14)中，通過CPU外圍設備(23)的鍵盤預置溫度。在預置溫度下，儀器可自動給出測量結果，同時，該議器也可以在任意溫度下進行手動直接測量，同樣可以給出測量結果。
本實用新型具有測量液體粘度值、測量液體瞬時粘度值、測量液樣實時溫度值、測量液體的溫／粘曲線、測量液體／固體轉換溫度的功能。
本實用新型測量范圍寬、應用范圍廣，可以廣泛地用于石油、化工、食品、醫藥、造紙、農業各個領域，尤其在石油生產系統，需求量更大。因此，該傳感器系統國民經濟中的直接經濟效益和間接經濟效應都是可觀的。同時，還可以進入國際市場。
權利要求1.三端壓電陶瓷自激振動粘度傳感器，它由矩形金屬彈性振子(7)、兩塊壓電陶恣片(8)、兩個支撐桿(9)、聯接桿(10)、片狀探頭(11)組成，其特征在于兩塊壓電陶瓷片(8)的內電極用導電膠分別中心對稱粘接于彈性振子片(7)的兩面，彈性振子片(7)的下端固接聯接桿(10)的上端，聯接桿(10)的下端固接片狀探頭(11)，兩塊壓電陶瓷片(8)的外電極分別為輸入電壓信號端(12)和輸出電壓信號端(13)，輸入端(12)的電壓信號和輸出端(13)的電壓信號同相，構成正反饋振蕩，在輸入電壓和輸出電壓的共同作用下，壓電陶瓷片(8)產生機械形變，由彈性振子片(7)、壓電陶瓷片(8)、聯接桿(10)、片狀探頭(11)組成的振子系統有三個機械振動節點A、B和C，在節點A處和節點B處，兩個支撐桿(9)將振子系統固定支撐，被測液樣(14)的表面位于節點C處。
2.按照權利要求1所說的粘度傳感器，其特征在于所說的電壓輸出端(13)經前置放大器(16)和振蕩輸出放大器(18)再到電壓輸入端(12)構成正反饋回路，所說的前置放大器(16)的輸出端聯接交直流轉換器(AC／DC)(17)的輸入端，所說的被測液樣(14)中插入溫度探測器(19)，探測器(19)的溫度數值經溫度電壓轉換器(T／V)(20)輸入到直流放大器(21)的輸入端，AC／DC轉換器(17)和直流放大器(21)的輸出信號通過A／D轉換器(24)送至微機CPU(22)，CPU(22)的外圍設備(23)進行被測液樣(14)在設定溫度下的測量數據進行存儲、打印或屏幕顯示。
3.按照權利要求1所說的粘度傳感器，其特征在于所說的片狀探頭(11)為金屬材料，形狀為菱形、圓形和橢圓形。
專利摘要本實用新型屬于理化參數測量技術領域。利用壓電陶瓷片(8)受到電激勵后產生形變，與其膠合在一起的彈性金屬片(7)隨之形變，由另一壓電陶瓷片(8)接收，信號經過放大后再以正反饋形式把信號傳給激勵壓電陶瓷片(8)，因而產生電—機自激振蕩。在彈性金屬片(7)的下端通過一聯接桿(10)固接片狀探頭(11)。在液樣(14)中運動時，受到阻尼力作用，使振蕩器的輸出電壓幅度下降。輸出電壓幅度信號經過電路與微機處理給出待測液樣的粘度值。
文檔編號G01N11/10GK2089634SQ9120165
公開日1991年11月27日 申請日期1991年1月31日 優先權日1991年1月31日
發明者王永洪, 鐘景賀, 王潔, 孫振東, 郭偉, 趙玉春 申請人:天津大學